문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

보존 벡터장

보존장 판정, 퍼텐셜 함수 찾기, 선적분의 기본정리를 쓴다

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

53문제 · 3 / 3쪽

41.OpenStax 3권 · 6.3절 · 41번대학 수준우리말 번역

지구의 질량은 약 6 × 1027g6\,\times \,{10}^{27}\text{g} 이고, 태양의 질량은 지구의 330,000배이다. 중력 상수는 6.7 × 10−8cm3/(s2⋅g)6.7\,\times \,{10}^{-8}{\text{cm}}^{3}/({\text{s}}^{2}\cdot \text{g}) 이다. 지구에서 태양까지의 거리는 약 1.5 × 1012cm1.5\,\times \,{10}^{12}\text{cm} 이다. 지구와 태양 사이의 거리를 1 cm1\,\text{cm} 늘리는 데 필요한 일을 대략 계산하세요.

영어 원문 보기

The mass of Earth is approximately 6 × 1027g6\,\times \,{10}^{27}\text{g} and that of the Sun is 330,000 times as much. The gravitational constant is 6.7 × 10−8cm3/(s2⋅g).6.7\,\times \,{10}^{-8}{\text{cm}}^{3}/({\text{s}}^{2}\cdot \text{g}). The distance of Earth from the Sun is about 1.5 × 1012cm.1.5\,\times \,{10}^{12}\text{cm}. Compute, approximately, the work necessary to increase the distance of Earth from the Sun by 1 cm.1\,\text{cm}.

정답·풀이 보기

4 × 1029erg4\,\times \,{10}^{29}\text{erg}

원본 교재 풀이(영어)

4 × 1029erg4\,\times \,{10}^{29}\text{erg}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 45번
# 보존 벡터장계산자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
42.OpenStax 3권 · 6.3절 · 42번대학 수준우리말 번역

[계산기 사용] F=(exsin⁡y)i+(excos⁡y)j+z2k\text{F}=({e}^{x}\sin y)\text{i}+({e}^{x}\cos y)\text{j}+{z}^{2}\text{k} 라 하자. 적분 ∫CF⋅dr{\int }_{C}\text{F}\cdot dr 의 값을 구하세요. 여기서 CC 는 곡선 r(t)=<t,t3,et>,0≤t≤1r(t)=\left< \sqrt{t},{t}^{3},{e}^{\sqrt{t}} \right>,0\le t\le 1 이다.

영어 원문 보기

[T] Let F=(exsin⁡y)i+(excos⁡y)j+z2k.\text{F}=({e}^{x}\sin y)\text{i}+({e}^{x}\cos y)\text{j}+{z}^{2}\text{k}. Evaluate the integral ∫CF⋅dr,{\int }_{C}\text{F}\cdot dr, where CC is the curve r(t)=<t,t3,et>,0≤t≤1.r(t)=\left< \sqrt{t},{t}^{3},{e}^{\sqrt{t}} \right>,0\le t\le 1.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.3절 · 9번
# 보존 벡터장계산자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
43.OpenStax 3권 · 6.3절 · 43번대학 수준우리말 번역

[계산기 사용] r:[1,2]→R2\text{r}:[1,2]\to {\mathbb{R}}^{2} 가 x=et−1,y=sin⁡(πt)x={e}^{t-1},y=\sin \left(\frac{\pi }{t}\right) 로 주어졌다고 하자. 컴퓨터를 이용하여 적분 ∫CF⋅dr=∫C2x cos⁡ydx−x2sin⁡ydy{\int }_{C}\text{F}\cdot d\text{r}={\int }_{C}2x\,\cos ydx-{x}^{2}\sin ydy 의 값을 구하세요. 여기서 F=(2x cos⁡y)i−(x2sin⁡y)j\text{F}=(2x\,\cos y)\text{i}-({x}^{2}\sin y)\text{j} 이다.

영어 원문 보기

[T] Let r:[1,2]→R2\text{r}:[1,2]\to {\mathbb{R}}^{2} be given by x=et−1,y=sin⁡(πt).x={e}^{t-1},y=\sin \left(\frac{\pi }{t}\right). Use a computer to compute the integral ∫CF⋅dr=∫C2x cos⁡ydx−x2sin⁡ydy,{\int }_{C}\text{F}\cdot d\text{r}={\int }_{C}2x\,\cos ydx-{x}^{2}\sin ydy, where F=(2x cos⁡y)i−(x2sin⁡y)j.\text{F}=(2x\,\cos y)\text{i}-({x}^{2}\sin y)\text{j}.

정답·풀이 보기

∫CF⋅dr≈2.9923{\int }_{C}\text{F}\cdot d\text{r}\approx 2.9923

원본 교재 풀이(영어)

∫CF⋅dr≈2.9923{\int }_{C}\text{F}\cdot d\text{r}\approx 2.9923

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 41번
# 보존 벡터장계산자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
44.OpenStax 3권 · 6.3절 · 44번대학 수준우리말 번역

[계산기 사용] 컴퓨터 대수 시스템을 이용하여 곡선 r(t)=(t2−1)j+2tk,0≤t≤1\text{r}(t)=({t}^{2}-1)\text{j}+2t\text{k},0\le t\le 1, 위에 놓인 철사의 질량을 구하세요. 단, 밀도는 32t\frac{3}{2}t 입니다.

영어 원문 보기

[T] Use a computer algebra system to find the mass of a wire that lies along curve r(t)=(t2−1)j+2tk,0≤t≤1,\text{r}(t)=({t}^{2}-1)\text{j}+2t\text{k},0\le t\le 1, if the density is 32t.\frac{3}{2}t.

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 11번
# 보존 벡터장계산자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
45.OpenStax 3권 · 6.3절 · 45번대학 수준우리말 번역

장 F=−yi+xj\text{F}=-y\text{i}+x\text{j} 의 닫힌 반원 경로를 따르는 순환과 그 경로를 지나는 선속을 구하세요. 이 경로는 반원 호 r1(t)=(acos⁡t)i+(asin⁡t)j,0≤t≤π{\text{r}}_{1}(t)=(a\cos t)\text{i}+(a\sin t)\text{j},0\le t\le \pi 에 이어서 선분 r2(t)=ti,−a≤t≤a{\text{r}}_{2}(t)=t\text{i},-a\le t\le a 로 이루어져 있습니다.

2차원 벡터장이다. 화살표는 원점에 가까울수록 짧다. 화살표들은 원점을 둘러싸며 반시계 방향의 방사 모양을 이룬다. 원의 윤곽에도 반시계 방향 화살표가 있다. 원점을 중심으로 하고 반지름이 2인 원의 위쪽 반원이 그려져 있다. (-2,0)과 (2,0)은 각각 –a와 a로 표시되어 있고, 곡선에는 r_1이라고 표시되어 있다.

영어 원문 보기

Find the circulation and flux of field F=−yi+xj\text{F}=-y\text{i}+x\text{j} around and across the closed semicircular path that consists of semicircular arch r1(t)=(acos⁡t)i+(asin⁡t)j,0≤t≤π,{\text{r}}_{1}(t)=(a\cos t)\text{i}+(a\sin t)\text{j},0\le t\le \pi , followed by line segment r2(t)=ti,−a≤t≤a.{\text{r}}_{2}(t)=t\text{i},-a\le t\le a.

A vector field in two dimensions. The arrows are shorter the closer they are to the origin. They surround the origin in a counterclockwise radial pattern. The outline of the circle has counterclockwise arrows. The upper half of a circle with radius 2 and center at the origin is drawn. (-2,0) and (2,0) are labeled as –a and a, respectively, and the curve is labeled r_1.

정답·풀이 보기

circulation=πa2 and flux=0\text{circulation}=\pi {a}^{2}\,\text{and flux}=0

원본 교재 풀이(영어)

circulation=πa2 and flux=0\text{circulation}=\pi {a}^{2}\,\text{and flux}=0

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 21번
# 보존 벡터장그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
46.OpenStax 3권 · 6.3절 · 46번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서, 컴퓨터를 이용하여 주어진 벡터장이 보존적임을 보이세요. 주어진 곡선에 대해 ∫CF⋅dr{\int }_{C}\text{F}\cdot d\text{r} 의 값을 구하세요.

∫Ccos⁡x cos⁡ydx−sin⁡x sin⁡ydy{\int }_{C}\cos x\,\cos ydx-\sin x\,\sin ydy 의 값을 구하세요. 단, c(t)=<t,t2>,0≤t≤1\text{c}(t)=<t,{t}^{2}>,0\le t\le 1 입니다.

영어 원문 보기

For the following exercises, show that the following vector fields are conservative by using a computer. Calculate ∫CF⋅dr{\int }_{C}\text{F}\cdot d\text{r} for the given curve.

Compute ∫Ccos⁡x cos⁡ydx−sin⁡x sin⁡ydy,{\int }_{C}\cos x\,\cos ydx-\sin x\,\sin ydy, where c(t)=<t,t2>,0≤t≤1.\text{c}(t)=<t,{t}^{2}>,0\le t\le 1.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 37번
# 보존 벡터장증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
47.OpenStax 3권 · 6.3절 · 47번대학 수준우리말 번역

fy=Q(x,y){f}_{y}=Q(x,y) 임을 보여 (본문 참조)의 증명을 완성하세요.

영어 원문 보기

Complete the proof of (see text) by showing that fy=Q(x,y).{f}_{y}=Q(x,y).

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.3절 · 3번
# 보존 벡터장계산자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
48.CLP-4 · 2.3절 · 3번대학 수준우리말 번역

F\mathbf{F} 가 보존장이고 aa, bb, cc 가 상수라고 하자. F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c) 의 퍼텐셜을 구하세요. 또는 F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c) 가 보존장이 아니게 되는 보존장 F\mathbf{F} 와 상수 aa, bb, cc 를 하나 제시하세요.

영어 원문 보기

Suppose F\mathbf{F} is conservative and let aa, bb, and cc be constants. Find a potential for F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c), OR give a conservative field F\mathbf{F} and constants aa, bb, and cc for which F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c) is not conservative.

정답·풀이 보기

φ\varphi 를 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이라 하자. ϕ=φ+ax+by+cz\phi=\varphi+ax+by+cz 로 정의하면 ∇ϕ=∇φ+(a,b,c)=F+(a,b,c){ \boldsymbol{\nabla} } \phi = { \boldsymbol{\nabla} }\varphi+(a,b,c)=\mathbf{F}+(a,b,c) 이다. 따라서 F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c) 도 보존장이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let φ\varphi be a potential for F\mathbf{F}. Define ϕ=φ+ax+by+cz\phi=\varphi+ax+by+cz. Then ∇ϕ=∇φ+(a,b,c)=F+(a,b,c){ \boldsymbol{\nabla} } \phi = { \boldsymbol{\nabla} }\varphi+(a,b,c)=\mathbf{F}+(a,b,c). So, F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c) is also conservative.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.3절 · 10번
# 보존 벡터장계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
49.CLP-4 · 2.3절 · 4번대학 수준우리말 번역

다음 각 명제를 증명하거나, 반례를 찾으세요.

a. F\mathbf{F} 가 보존장이고 G\mathbf{G} 가 비보존장이면, F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} 는 비보존장이다. b. F\mathbf{F} 와 G\mathbf{G} 가 모두 비보존장이면, F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} 는 비보존장이다. c. F\mathbf{F} 와 G\mathbf{G} 가 모두 보존장이면, F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} 는 보존장이다.

영어 원문 보기

Prove, or find a counterexample to, each of the following statements.

a. If F\mathbf{F} is a conservative field and G\mathbf{G} is a non-conservative field, then F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} is non-conservative. b. If F\mathbf{F} and G\mathbf{G} are both non-conservative fields, then F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} is non-conservative. c. If F\mathbf{F} and G\mathbf{G} are both conservative fields, then F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} is conservative.

정답·풀이 보기

a. 어떤 F\mathbf{F}, G\mathbf{G} 에 대해 F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} 가 보존장이라고 하면, 정의에 따라 F+G=∇φ\mathbf{F}+\mathbf{G} = { \boldsymbol{\nabla} } \varphi 를 만족하는 퍼텐셜 φ\varphi 가 존재한다.

F\mathbf{F} 가 보존장이므로, F=∇ψ\mathbf{F} = { \boldsymbol{\nabla} } \psi 를 만족하는 퍼텐셜 ψ\psi 도 존재한다.

그러면 G=(F+G)−F=∇φ−∇ψ=∇(φ−ψ)\mathbf{G} = (\mathbf{F}+\mathbf{G})-\mathbf{F}={ \boldsymbol{\nabla} } \varphi - { \boldsymbol{\nabla} } \psi = { \boldsymbol{\nabla} }(\varphi-\psi) 이다. 즉 함수 (φ−ψ)(\varphi-\psi) 는 GG 의 퍼텐셜이다. 그러나 이는 불가능하다. G\mathbf{G} 가 비보존장이므로 이러한 성질을 갖는 함수는 존재하지 않기 때문이다.

따라서 F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} 가 보존장일 수는 없다. 즉 비보존장이다. b. 반례: F=−G\mathbf{F} = -\mathbf{G} 이면, 임의의 상수 cc 에 대해 F+G=0=∇c\mathbf{F}+\mathbf{G} = \mathbf 0 = { \boldsymbol{\nabla} } c 이다. c. 두 장이 모두 보존장이므로 둘 다 퍼텐셜을 갖는다. 이를 F=∇φ\mathbf{F}={ \boldsymbol{\nabla} } \varphi, G=∇ψ\mathbf{G} = { \boldsymbol{\nabla} } \psi 라 하자. 그러면 F+G=∇φ+∇ψ=∇(φ+ψ)\mathbf{F}+\mathbf{G} = { \boldsymbol{\nabla} }\varphi+{ \boldsymbol{\nabla} }\psi={ \boldsymbol{\nabla} }(\varphi+\psi) 이다. 즉 (φ+ψ)(\varphi+\psi) 는 F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} 의 퍼텐셜이므로 F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} 는 보존장이다.

원본 교재 풀이(영어)

a. If F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} is conservative for any particular F\mathbf{F} and G\mathbf{G}, then by definition, there exists a potential φ\varphi with F+G=∇φ\mathbf{F}+\mathbf{G} = { \boldsymbol{\nabla} } \varphi.

Since F\mathbf{F} is conservative, there also exists a potential ψ\psi with F=∇ψ\mathbf{F} = { \boldsymbol{\nabla} } \psi.

But now G=(F+G)−F=∇φ−∇ψ=∇(φ−ψ)\mathbf{G} = (\mathbf{F}+\mathbf{G})-\mathbf{F}={ \boldsymbol{\nabla} } \varphi - { \boldsymbol{\nabla} } \psi = { \boldsymbol{\nabla} }(\varphi-\psi). That means the function (φ−ψ)(\varphi-\psi) is a potential for GG. However, this is impossible: since G\mathbf{G} is non-conservative, no function with this property exists.

So it is not possible that F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} is conservative. It must be non-conservative. b. Counterexample: if F=−G\mathbf{F} = -\mathbf{G}, then F+G=0=∇c\mathbf{F}+\mathbf{G} = \mathbf 0 = { \boldsymbol{\nabla} } c for any constant cc. c. Since both fields are conservative, they both have potentials, say F=∇φ\mathbf{F}={ \boldsymbol{\nabla} } \varphi and G=∇ψ\mathbf{G} = { \boldsymbol{\nabla} } \psi. Then F+G=∇φ+∇ψ=∇(φ+ψ)\mathbf{F}+\mathbf{G} = { \boldsymbol{\nabla} }\varphi+{ \boldsymbol{\nabla} }\psi={ \boldsymbol{\nabla} }(\varphi+\psi). That is, (φ+ψ)(\varphi+\psi) is a potential for F+G\mathbf{F}+\mathbf{G}, so F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} is conservative.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 7번
# 보존 벡터장증명·논술기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
50.CLP-4 · 2.3절 · 6번대학 수준우리말 번역

F(x,y)=(x+y)ı^+(x−y)ȷ^\mathbf{F}(x,y)=(x+y)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(x-y)\hat{\boldsymbol{\jmath}} 의 퍼텐셜 φ\varphi 를 구하거나, 퍼텐셜이 존재하지 않음을 증명하세요.

영어 원문 보기

Find a potential φ\varphi for F(x,y)=(x+y)ı^+(x−y)ȷ^\mathbf{F}(x,y)=(x+y)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(x-y)\hat{\boldsymbol{\jmath}}, or prove none exists.

정답·풀이 보기

φ\varphi 가 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이면 다음이 성립한다.

  • ∂φ∂x=x+y\frac{\partial \varphi}{\partial x}=x+y 이므로 φ=12x2+xy+ψ1(y)\varphi = \frac{1}{2}x^2+xy+\psi_1(y)
  • ∂φ∂y=x−y\frac{\partial \varphi}{\partial y}=x-y 이므로 φ=xy−12y2+ψ2(x)\varphi = xy-\frac{1}{2}y^2+\psi_2(x)

따라서 예를 들어 φ=12x2+xy−12y2\varphi = \frac{1}{2}x^2+xy-\frac{1}{2}y^2 은 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이다.

원본 교재 풀이(영어)

If φ\varphi is a potential for F\mathbf{F}, then:

  • ∂φ∂x=x+y\frac{\partial \varphi}{\partial x}=x+y, so φ=12x2+xy+ψ1(y)\varphi = \frac{1}{2}x^2+xy+\psi_1(y)
  • ∂φ∂y=x−y\frac{\partial \varphi}{\partial y}=x-y, so φ=xy−12y2+ψ2(x)\varphi = xy-\frac{1}{2}y^2+\psi_2(x)

So, for instance, φ=12x2+xy−12y2\varphi = \frac{1}{2}x^2+xy-\frac{1}{2}y^2 is a potential for F\mathbf{F}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 5번
# 보존 벡터장증명·논술보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
51.CLP-4 · 2.3절 · 7번대학 수준우리말 번역

F(x,y)=(1x−1y)ı^+(xy2)ȷ^\mathbf{F}(x,y)=\left( \frac{1}{x}-\frac{1}{y}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left(\frac{x}{y^2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}} 의 퍼텐셜 φ\varphi 를 구하거나, 존재하지 않음을 증명하세요.

영어 원문 보기

Find a potential φ\varphi for F(x,y)=(1x−1y)ı^+(xy2)ȷ^\mathbf{F}(x,y)=\left( \frac{1}{x}-\frac{1}{y}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left(\frac{x}{y^2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}}, or prove none exists.

정답·풀이 보기

φ\varphi 가 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이면 다음이 성립한다.

  • ∂φ∂x=1x−1y\frac{\partial \varphi}{\partial x}=\frac1x-\frac1y 이므로 φ=ln⁡∣x∣−xy+ψ1(y)\varphi = \ln|x|-\frac{x}{y}+\psi_1(y)
  • ∂φ∂y=xy2\frac{\partial \varphi}{\partial y}=\frac{x}{y^2} 이므로 φ=−xy+ψ2(x)\varphi = -\frac{x}{y}+\psi_2(x)

따라서 예를 들어 φ=ln⁡∣x∣−xy\varphi=\ln |x| - \frac{x}{y} 는 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이다.

원본 교재 풀이(영어)

If φ\varphi is a potential for F\mathbf{F}, then:

  • ∂φ∂x=1x−1y\frac{\partial \varphi}{\partial x}=\frac1x-\frac1y, so φ=ln⁡∣x∣−xy+ψ1(y)\varphi = \ln|x|-\frac{x}{y}+\psi_1(y)
  • ∂φ∂y=xy2\frac{\partial \varphi}{\partial y}=\frac{x}{y^2}, so φ=−xy+ψ2(x)\varphi = -\frac{x}{y}+\psi_2(x)

So, for instance, φ=ln⁡∣x∣−xy\varphi=\ln |x| - \frac{x}{y} is a potential for F\mathbf{F}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 9번
# 보존 벡터장증명·논술보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
52.CLP-4 · 2.3절 · 9번대학 수준우리말 번역

F(x,y,z)=(xx2+y2+z2)ı^+(yx2+y2+z2)ȷ^+(zx2+y2+z2)k^\mathbf{F}(x,y,z)=\left( \frac{x}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left( \frac{y}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\left( \frac{z}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\mathbf{k}} 의 퍼텐셜 φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) 를 구하거나, 존재하지 않음을 증명하세요.

영어 원문 보기

Find a potential φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) for F(x,y,z)=(xx2+y2+z2)ı^+(yx2+y2+z2)ȷ^+(zx2+y2+z2)k^,\mathbf{F}(x,y,z)=\left( \frac{x}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left( \frac{y}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\left( \frac{z}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\mathbf{k}}, or prove none exists.

정답·풀이 보기

φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) 가 F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 의 퍼텐셜이면 다음이 성립한다.

  • ∂φ∂x(x,y,z)=xx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z)=\frac{x}{x^2+y^2+z^2} 이므로 φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ1(y,z)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_1(y,z)
  • ∂φ∂y(x,y,z)=yx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z)=\frac{y}{x^2+y^2+z^2} 이므로 φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ2(x,z)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_2(x,z)
  • ∂φ∂z(x,y,z)=zx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z)=\frac{z}{x^2+y^2+z^2} 이므로 φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ2(x,y)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_2(x,y)

따라서 예를 들어 φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)\varphi(x,y,z)= \frac{1}{2}\ln(x^2+y^2+z^2) 는 F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 의 퍼텐셜이다.

원본 교재 풀이(영어)

If φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) is a potential for F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z), then:

  • ∂φ∂x(x,y,z)=xx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z)=\frac{x}{x^2+y^2+z^2}, so φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ1(y,z)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_1(y,z)
  • ∂φ∂y(x,y,z)=yx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z)=\frac{y}{x^2+y^2+z^2}, so φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ2(x,z)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_2(x,z)
  • ∂φ∂z(x,y,z)=zx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z)=\frac{z}{x^2+y^2+z^2}, so φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ2(x,y)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_2(x,y)

So, for instance, φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)\varphi(x,y,z)= \frac{1}{2}\ln(x^2+y^2+z^2) is a potential for F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 43번
# 보존 벡터장증명·논술보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
53.CLP-4 · 2.3절 · 10번대학 수준우리말 번역

다음 각 벡터장이 보존적인지 아닌지 판단하세요. 보존적이면 퍼텐셜을 구하세요.

(a) F(x,y,z)=xı^−2yȷ^+3zk^\mathbf{F}(x,y,z)=x\hat{\boldsymbol{\imath}}-2y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+3z\hat{\mathbf{k}} (b) F(x,y)=xı^−yȷ^x2+y2\mathbf{F}(x,y)=\frac{x\hat{\boldsymbol{\imath}}-y\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{x^2+y^2}

영어 원문 보기

Determine whether or not each of the following vector fields are conservative. Find the potential if it is.

(a) F(x,y,z)=xı^−2yȷ^+3zk^\mathbf{F}(x,y,z)=x\hat{\boldsymbol{\imath}}-2y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+3z\hat{\mathbf{k}} (b) F(x,y)=xı^−yȷ^x2+y2\mathbf{F}(x,y)=\frac{x\hat{\boldsymbol{\imath}}-y\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{x^2+y^2}

정답·풀이 보기

(a) F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 의 퍼텐셜을 구하여 이 벡터장이 보존적임을 보이겠다. φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) 가 이 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이 되기 위한 필요충분조건은

∂φ∂x(x,y,z)=x∂φ∂y(x,y,z)=−2y∂φ∂z(x,y,z)=3z\begin{aligned} \frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z) &= x \\ \frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z) &= -2y \\ \frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z) &= 3z \end{aligned}

이다.

이 중 첫 번째 식을 적분하면

φ(x,y,z)=x22+f(y,z)\varphi(x,y,z) = \frac{x^2}{2} + f(y,z)

이다. 이를 두 번째 식에 대입하면

∂f∂y(y,z)=−2y\frac{\partial f}{\partial y}(y,z) = -2y

이고, 이를 적분하면

f(y,z)=−y2+g(z)f(y,z) = -y^2+ g(z)

이다. 마지막으로 φ(x,y,z)=x22−y2+g(z)\varphi(x,y,z) = \frac{x^2}{2} -y^2 + g(z) 를 마지막 식에 대입하면

g′(z)=3zg'(z) = 3z

이고, 이를 적분하면

g(z)=32z2+Cg(z) = \frac{3}{2} z^2 +C

이다. 여기서 CC 는 임의의 상수이다. 따라서 F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 는 보존적이며, φ(x,y,z)=12x2−y2+32z2\varphi(x,y,z)=\tfrac{1}{2} x^2-y^2+\frac{3}{2}z^2 은 가능한 퍼텐셜 중 하나이다.

(b) 벡터장 F=F1 ı^+F2 ȷ^\mathbf{F}= F_1\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + F_2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 는 다음 검사를 통과해야만 보존적일 수 있다.

∂F1∂y=∂F2∂x\frac{\partial F_1}{\partial y}=\frac{\partial F_2}{\partial x}

이 경우

∂F1∂y=∂∂y(xx2+y2)=−2xy(x2+y2)2\frac{\partial F_1}{\partial y} =\frac{\partial}{\partial y}\Big(\frac{x}{x^2+y^2}\Big) =-\frac{2xy}{{(x^2+y^2)}^2}

는

∂F2∂x=∂∂x(−yx2+y2)=2xy(x2+y2)2\frac{\partial F_2}{\partial x} =\frac{\partial}{\partial x}\Big(\frac{-y}{x^2+y^2}\Big) =\frac{2xy}{{(x^2+y^2)}^2}

와 다르다. 이는 xx 와 yy 가 모두 0 이 아닌 모든 (x,y)(x,y) 에 대해 성립한다. 따라서 F\mathbf{F} 는 보존적이 아니다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We shall show that F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) is conservative by finding a potential for it. φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) is a potential for this F\mathbf{F} if and only if

∂φ∂x(x,y,z)=x∂φ∂y(x,y,z)=−2y∂φ∂z(x,y,z)=3z\begin{aligned} \frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z) &= x \\ \frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z) &= -2y \\ \frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z) &= 3z \end{aligned}

Integrating the first of these equations gives

φ(x,y,z)=x22+f(y,z)\varphi(x,y,z) = \frac{x^2}{2} + f(y,z)

Substituting this into the second equation gives

∂f∂y(y,z)=−2y\frac{\partial f}{\partial y}(y,z) = -2y

which integrates to

f(y,z)=−y2+g(z)f(y,z) = -y^2+ g(z)

Finally, substituting φ(x,y,z)=x22−y2+g(z)\varphi(x,y,z) = \frac{x^2}{2} -y^2 + g(z) into the last equation gives

g′(z)=3zg'(z) = 3z

which integrates to

g(z)=32z2+Cg(z) = \frac{3}{2} z^2 +C

with CC being an arbitrary constant. So, F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) is conservative and φ(x,y,z)=12x2−y2+32z2\varphi(x,y,z)=\tfrac{1}{2} x^2-y^2+\frac{3}{2}z^2 is one allowed potential.

(b) The field F=F1 ı^+F2 ȷ^\mathbf{F}= F_1\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + F_2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} can be conservative only if it passes the screening test

∂F1∂y=∂F2∂x\frac{\partial F_1}{\partial y}=\frac{\partial F_2}{\partial x}

In this case

∂F1∂y=∂∂y(xx2+y2)=−2xy(x2+y2)2\frac{\partial F_1}{\partial y} =\frac{\partial}{\partial y}\Big(\frac{x}{x^2+y^2}\Big) =-\frac{2xy}{{(x^2+y^2)}^2}

is different from

∂F2∂x=∂∂x(−yx2+y2)=2xy(x2+y2)2\frac{\partial F_2}{\partial x} =\frac{\partial}{\partial x}\Big(\frac{-y}{x^2+y^2}\Big) =\frac{2xy}{{(x^2+y^2)}^2}

for all (x,y)(x,y) with xx and yy both nonzero. So F\mathbf{F} is not conservative.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.3절 · 9번
# 보존 벡터장계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)